© Berit Kessler – stock.adobe.com
Unterstützung für Wind und Sonne
Dunkelflaute meistern: Forschung gegen den Stromausfall
Der Ausbau der erneuerbaren Energien geht voran: Im ersten Halbjahr 2024 haben sie rund 62 Prozent des hierzulande erzeugten Stroms geliefert. Allerdings sind Zeiten in denen Wind und Sonne zu wenig Energie liefern – sogenannte Dunkelflauten – weiterhin eine Herausforderung, auch für die Forschung.
Bei der Dunkelflaute mangelt es gleichzeitig an genug Wind und Sonneneinstrahlung, um den Strombedarf zu decken. Dieses Wetterphänomen tritt häufig in den Wintermonaten auf, wenn die Sonne ohnehin weniger stark scheint und windarme Wetterlagen vorherrschen. Über mehrere Tage oder sogar Wochen hinweg können dann sowohl Solar- als auch Windkraftanlagen kaum elektrische Energie erzeugen. Das heißt, die erneuerbaren Energien leisten nur einen Bruchteil ihres gewöhnlichen Beitrags zur Stromversorgung. Von einer „kalten“ Dunkelflaute spricht man, wenn zusätzlich sehr niedrige Temperaturen herrschen und dadurch die Heizlast steigt. Eine niedrige Energieausbeute trifft also auf einen hohen Energiebedarf.
„Wir wollen herausfinden, ab wann es kippt. Wie weit kann noch ein gewisser Ausgleich durch den Stromhandel erfolgen?“Felix Nitsch (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)
Um die Energieversorgung auch während einer Dunkelflaute sicherzustellen, werden momentan noch oft Gas- und Kohlekraftwerke genutzt. Sie können kurzfristig hochfahren und gleichen so fehlende Stromlieferungen aus. Um den Umgang mit Dunkelflauten effizienter zu meistern und die CO2-Emissionen zu reduzieren, sind zusätzliche Lösungen erforderlich. Derzeit entwickelt die Forschung unterschiedliche Verfahren, die das Energiesystem gleichzeitig stabil und umweltfreundlich halten. Immerhin strebt das BMWK mit der Mission Stromwende im 8. Energieforschungsprogramm des BMWK an, dass bis 2030 der Strom zu 80 Prozent aus erneuerbaren Energiequellen stammt.
Neben regelbaren Kraftwerken können auch Speicher oder die Steuerung der Nachfrageseite das Energiesystem flexibel halten – sodass es für Zeiten geringer erneuerbarer Energieeinspeisung gewappnet ist. Könnte man diese vorhersagen, würde sich die Lage sowohl für Erzeuger als auch für Verbraucher verbessern. Genau dies streben die Forschenden im Vorhaben LongCast an. Sie setzen dabei auf Prognosemodelle. Ihr Ziel: Die Einspeisung aus Wind und Photovoltaik für bis zu sechs Monate im Voraus abzuschätzen – und so das Risiko für Dunkelflauten benennen zu können.
Energieengpässe vorhersagen
Welche Vorteile Vorhersagen hätten, verdeutlicht Dr. Malte Siefert vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik am Beispiel der Dunkelflaute vom 11. Dezember 2024: „An diesem Tag waren die Strompreise teilweise sehr hoch. Ein Grund: Einige konventionelle Kraftwerke führten geplante Wartungsarbeiten durch oder hatten technische Probleme. Sie waren deswegen nicht verfügbar. Wäre die Dunkelflaute frühzeitig erkannt worden, hätten die Wartungsarbeiten verschoben werden können. Dies hätte sich preissenkend auswirken können. Auch Großverbraucher wie Stahlwerke hätten sich bei rechtzeitiger Information besser auf die Situation einstellen können.“ Belastbare Vorhersagen bringen also vielen Akteuren Vorteile. Doch wie gelangt man zu einem passenden Prognosemodell?
Stündliche Werte müssen aggregiert werden
Grundlegend für eine belastbare Prognose sind die Daten, die in das Modell eingespeist werden. Solche Klimavorhersagen liefert bei LongCast der Deutsche Wetterdienst. Dieser stellt der Energiewirtschaft bereits stündliche Werte, die sich auf einen Radius von fünf Kilometer beziehen, bereit. „Diese Daten müssen dann für längerfristige Prognosen auf gröbere Raum- und Zeitskalen aggregiert, die Zeitreihen gemittelt werden“, so Dr. Andreas Paxian vom Deutschen Wetterdienst. So könnten sie dazu beitragen, den Wind- oder PV-Energieertrag für den kommenden Winter oder Sommer vorherzusagen.
Stresstest für das Energiesystem
Herrscht in Deutschland Dunkelflaute, kann – bevorzugt erneuerbarer - Strom aus Nachbarländern importiert werden. Passend dazu haben Forschende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Vorhaben VERMEER (Abschlussbericht, pdf) analysiert, welche Rolle der innereuropäische Stromhandel bei Versorgungsengpässen spielen kann. „Wir untersuchen die Konsequenzen großflächiger Extremwetterereignisse in Europa, wie etwa kalte Dunkelflauten. Dabei versuchen wir abzuschätzen, inwieweit diese unter Berücksichtigung der netzseitigen Übertragungskapazitäten vom Stromhandel aufgefangen werden können“, so Projektleiter Felix Nitsch vom DLR.
Dazu treiben die Wissenschaftler das System bewusst an seine Grenzen: „Wir wollen herausfinden, ab wann es kippt. Wie weit kann noch ein gewisser Ausgleich durch den Stromhandel erfolgen?“, so Nitsch. Dabei untersuchte das Team Situationen, in denen Deutschland nicht auf Stromimporte aus Nachbarländern zurückgreifen kann, weil diese selbst mit Versorgungsengpässen zu kämpfen haben oder nicht genügend Transportkapazitäten für den Ausgleich zur Verfügung stehen.
Hilfreich ist dies etwa für die Politik, wenn es um das Thema langfristige Versorgungssicherheit geht. Aber auch Energieversorger profitieren von den im Vorhaben VERMEER entwickelten Modellen. Sie können potenzielle Kosten und Kapazitäten von Back-up Kraftwerken besser abschätzen.
Mit Wasserstoff Dunkelflaute ausgleichen
Neben theoretischen Modellen leisten auch konkrete Technologien einen wichtigen Beitrag zu einer stabilen Energieversorgung. Dazu zählen Langzeitspeicher. Hier kann Überschussstrom aus erneuerbarer Energie zwischengelagert und bei Bedarf ins Netz eingespeist werden. Ein Überschuss entsteht etwa, wenn Windräder bei starkem Wind mehr Strom produzieren als von Verbrauchern oder dem Stromnetz abgenommen werden kann.
Wie für Zeiten geringer erneuerbarer Energieeinspeisung vorgesorgt werden kann, zeigt das Reallabor der Energiewende „RefLau – Referenzkraftwerk Lausitz“ im brandenburgischen Spremberg. In dem Kraftwerk wird zukünftig mit Strom aus Wind- und Photovoltaikanlagen grüner Wasserstoff hergestellt, der in verschiedene Sektoren wie Gasnetzen oder Industriebetrieben verteilt wird (Sektorenkopplung). Gleichzeitig kann im erzeugten und gelagerten Wasserstoff Energie aus erneuerbaren Energien eingespeichert werden. Auf diese Reserve kann bei einer Dunkelflaute zurückgegriffen werden.
Die Rückverstromung erfolgt dann über die Brennstoffzelle eines innovativen Netzregelkraftwerks. „Das Kraftwerk dient auch zur Wasserstoff-Rückverstromung, um zu zeigen, dass Wasserstoff einen essenziellen Beitrag dazu leisten kann, dass Grünstrom wirklich 24/7 zur Verfügung steht“, so Ben Schüppel, Geschäftsführer bei der Referenzkraftwerk Lausitz GmbH. Zukünftig soll die Anlage in Spremberg in der Lage sein, eine zweiwöchige Dunkelflaute mit Volllast durchzufahren. Aber auch in weniger extremen Wetterlagen kann die Anlage Regelenergie bereitstellen und zur Netzstabilisierung beitragen.
Energieforschung trägt zu stabiler Energieversorgung bei
Ob konkrete Technologien wie Speicher und regelbare Kraftwerke oder Maßnahmen wie Stromhandel, intelligente Steuerung der Nachfrage sowie Prognosen: Letztendlich gibt es für den Umgang mit Extremwetterereignissen wie Dunkelflauten nicht nur einen Weg. Die angewandte Energieforschung arbeitet kontinuierlich daran, die verschiedenen Lösungen weiterzuentwickeln und sinnvoll zu kombinieren. Damit leistet sie einen wichtigen Beitrag zu einer stabilen und resilienten Energieversorgung in Deutschland. (bs)
